JP2004127530A

JP2004127530A - 液体燃料電池デバイス

Info

Publication number: JP2004127530A
Application number: JP2002285569A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Akasaka; 赤坂　芳浩; Takeshi Ume; 梅　武; Hideyuki Ozu; 大図　秀行
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: US20040121214A1; US7153604B2; JP3811115B2

Abstract

【課題】小型化しても比較的長時間の連続発電が可能な液体燃料電池デバイスを提供する。
【解決手段】燃料極、この燃料極に対向して配置された酸化剤極、および前記燃料極と酸化剤極により挟持された電解質層を備える液体燃料電池本体（１０）と、前記燃料極に液体燃料を供給する液体燃料供給システムを具備し、該液体燃料供給システムは、濃度が調整された液体燃料を収容しこれを前記燃料極側に供給する第１のタンク（２０）と、高濃度液体燃料を収容しこれを前記第１のタンク（２０）に供給する第２のタンク（３０）を備えることを特徴とする液体燃料電池デバイス。
【選択図】　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体燃料電池デバイスおよびこれに使用される液体燃料タンクに係り、特に、小型化しても比較的長時間連続発電が可能な液体燃料電池デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体燃料電池は、単独の発電装置としては効率が高いことから最近注目されている。液体燃料電池は、リン酸型液体燃料電池、溶融炭酸塩型液体燃料電池、固体電解質型液体燃料電池、アルカリ性電解液型液体燃料電池等の液体燃料としてガスを使用する液体燃料電池と、メタノール液体燃料電池、ヒドラジン液体燃料電池等の液体燃料として液体を使用する液体燃料電池とに大別される。これらの液体燃料電池は、主に電力用発電機や大型機器を駆動するための動力源としての利用を対象にしているため、ガスや液体の液体燃料、または酸化剤ガスを電池内に導入するためのコンプレッサやポンプ等が必要であるが、燃料として液体燃料を用いる燃料電池において、液体燃料を毛管力で電池内に導入し、かつ、電池内で液体燃料を気化する燃料気化部を別途形成し反応速度改善を図った燃料電池が有用である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
一方、社会的な動向として、ＯＡ機器、オーディオ機器、無線機器等の各種機器は、半導体技術の発達と共に小型化され、さらに携帯性が要求されるようになっている。このような要求を満足するための発電源としては、簡便な一次電池や二次電池等が使用されている。しかし、一次電池や二次電池は、機能上使用時間に制限があり、このような電池を用いたＯＡ機器等では当然使用時間が限定される。これらの電池を使用した場合、電池の放電が終った後に、電池を交換してＯＡ機器等を駆動することはできるものの、一次電池ではその重量に対して使用時間が短く、携帯機器には不向きである。また、二次電池では放電終了後充電できるという利点を有する半面、充電のために電源が必要で使用場所が制限されるのみならず、充電に時間がかかるという欠点がある。特に、二次電池を内蔵したＯＡ機器等では、電池の放電が終っても電池を交換することが困難なため、機器の使用時間の制限は免れない。このように、各種小型機器を長時間駆動するためには、従来の一次電池や二次電池に基づく技術では対応が難しく、より長時間の作動に向いた電池が要求されている。
【０００４】
このような問題の一つの解決策として、上述したような液体燃料電池がある。液体燃料電池は、液体燃料と酸化剤を供給するだけで発電することができるという利点を有するだけでなく、液体燃料を交換すれば連続して発電できるという利点を有しているため、小型化が出来れば消費電力が小さいＯＡ機器等の小型機器の駆動に極めて有利なシステムといえる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２７８７５９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、液体燃料電池を小型化して携帯性をも持たせようとした場合、液体燃料電池自体の小型化に伴い、種々の付帯機器、特に液体燃料電池に液体燃料を供給するため液体燃料タンクを含む液体燃料供給系統も小型化しなければならない。液体燃料供給系統、特に液体燃料タンクが小型化されると、当然に、１の液体燃料タンクからの液体燃料供給による連続発電時間は短縮され、頻繁な液体燃料タンクの交換が必要となる。かかる状況は特に液体燃料電池の場合に多い。
【０００７】
また、液体燃料を供給するタイプの燃料電池では液体燃料タンク内に外部から液体燃料の供給に用いるギヤ等の駆動用機構を用いているものがあるが、この場合、外部からタンクへの接続部での液シールを設けることが必要となるとともに、経時劣化により液体の漏れ出しにより安定した出力が得られない問題が発生していた。
【０００８】
従って、本発明は、小型化しても比較的長時間の連続発電が可能であるとともに、液シールを設けることなく液体燃料の漏洩を防止し得る液体燃料電池デバイスを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、燃料極、この燃料極に対向して配置された酸化剤極、および前記燃料極と酸化剤極により挟持された電解質層を備える液体燃料電池本体と、前記燃料極に液体燃料を供給する液体燃料供給システムを具備し、該液体燃料供給システムは、濃度が調整された液体燃料を収容しこれを前記燃料極側に供給する第１のタンクと、高濃度液体燃料を収容しこれを前記第１のタンクに供給する第２のタンクを備え、前記第１のタンクに、液体燃料を前記燃料極側に送液する第１の内部送液機構が設けられ、前記第１の内部送液機構は、前記第１のタンクの外部に設けられ、かつ前記第１の内部送液機構とは物理的に結合されていない第１の外部駆動機構により駆動されることを特徴とする液体燃料電池デバイスが提供される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をより詳しく説明する。
【００１１】
本発明の液体燃料電池デバイスは、液体燃料電池本体と、液体燃料電池本体の燃料極に液体燃料を供給する液体燃料供給システムを具備する。液体燃料電池本体は、燃料極、この燃料極に対向して配置された酸化剤極、および前記燃料極と酸化剤極により挟持された電解質層を備える。
【００１２】
図１は、本発明の種々の態様において使用され得る液体燃料電池本体の基本的構造を示す概略断面図である。図１において、液体燃料電池本体１０は、電解質層１０１を備え、この電解質層１０１の一方の面には、燃料極（アノード）１０２が設けられ、電解質層１０１の他方の対向面には、酸化剤極（カソード）１０３が設けられている。燃料極１０２は、導電性基体１０２ａと、その上に設けられた触媒層１０２ｂを備える。他方、酸化剤極１０３は、導電性基体１０３ａと、その上に設けられた触媒層１０３ｂを備える。燃料極１０２および酸化剤極１０３は、それぞれ、その触媒層１０２ｂおよび１０３ｂが電解質層１０１に接するように配置されている。
【００１３】
電解質層１０１は、プロトン伝導性ポリマー電解質により構成することができる。そのようなプロトン伝導性ポリマー電解質としては、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系のイオン交換樹脂（例えば、デュポン社製ナフィオン（登録商標））を使用することができる。
【００１４】
燃料極１０２の導電性基体１０２ａは、液体燃料透過性のものであり、例えば導電性材料の多孔質体で構成することができる。他方、酸化剤極１０３の導電性基体１０３ａは、酸化剤ガス透過性のものであるが、同様に導電性材料の多孔質体で構成することができる。また、燃料極１０２の触媒層１０２ｂと酸化剤極１０３の触媒層１０３ｂは、いずれも、白金系触媒、特に燃料極はＰｔ−Ｒｕ系触媒により構成することができる。
【００１５】
例えば、カーボン粒子に白金系触媒を担持させ、それらカーボン担持白金系触媒粒子をバインダーを用いて導電性基体（例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス）上に塗布し、乾燥することにより、燃料極１０２および酸化剤極１０３を作製することができる。
【００１６】
燃料極１０２を覆うように、本発明の液体燃料供給システムから送られる液体燃料を燃料極１０２に直接供給する液体燃料供給セパレータ１０４が設けられ、他方酸化剤極１０３を覆うように、酸化剤ガスを酸化剤極１０３に供給する酸化剤ガス供給セパレータ１０５が設けられている。既知のように、液体燃料供給セパレータ１０４には、液体燃料流路（図示せず）が設けられ、酸化剤ガス供給セパレータ１０５には、酸化剤ガス流路（図示せず）が設けられている。また、液体燃料供給セパレータ１０４には、液体燃料の導入ポート１０４ａと、これと反対側に液体燃料の反応生成物の排出ポート１０４ｂが設けられ、酸化剤ガス供給セパレータ１０５には、酸化剤ガスの導入ポート１０５ａが設けられ、これと反対側に酸化剤ガスの反応生成物の排出ポート１０５ｂが設けられている。なお、セパレータ１０４とセパレータ１０５は、それぞれ、集電体としても作用するものであるから、導電性材料で形成される。
【００１７】
次に、液体燃料としてメタノール（＋水）を、酸化剤ガスとして酸素ガスを例にとり、電極反応を説明すると、燃料極（アノード）側では、
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ　→　ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻
なる反応が生起し、酸化剤極（カソード）側では、
３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻　→　３Ｈ_２Ｏ
なる反応が生起する。全反応は、
ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２　→　ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ
となる。
【００１８】
すなわち、燃料極１０２に供給された液体燃料（メタノール＋水）は、触媒層１０２ｂの触媒によって酸化され、プロトンが取り出されるとともに、電子が取り出される。取り出されたプロトンは電解質層１０１を通じて酸化剤極１０３側に伝導される。他方、酸化剤極１０３側では、電解質層１０１を通じて伝導されたプロトンが外部回路を通じて流れてきた電子および酸化剤ガス（酸素や空気など）と反応して水になる反応が、触媒層１０３ｂの触媒上で進行する。かかる反応が起こる過程で取り出される電子が外部回路を流れることにより発電が起こり、外部負荷を駆動させることができる。燃料極側の反応生成物ガスである二酸化炭素は、過剰な液体燃料とともに、排出ポート１０４ｂから系外へ排出され、酸化剤極側の液体反応生成物である水は、過剰な酸化剤ガスとともに排出ポート１０５ｂから系外へ排出される。
【００１９】
さて、本発明の液体燃料電池デバイスにおいて、液体燃料電池本体の燃料極に液体燃料を供給するための液体燃料供給システムは、濃度が調整された液体燃料を収容しこれを（セパレータ１０４を通して）燃料極側に供給する第１のタンクと、高濃度液体燃料を収容しこれを第１のタンクに供給する第２のタンクを備える。
【００２０】
図２は、かかる液体燃料供給システムを液体燃料電池本体とともに備える本発明の第１の実施の形態に係る液体燃料電池デバイスを示す概略構成図である。
【００２１】
図２に示す液体燃料デバイスは、上記液体燃料電池本体１０のような液体燃料電池本体と液体燃料供給システムを備えるものであって、液体燃料供給システムは、液体燃料電池本体１０の液体燃料導入ポート１０４ａに接続される第１のタンク２０と第１のタンク２０に接続される第２のタンク３０を具備する。
【００２２】
第１のタンク２０は、濃度が調整された液体燃料を収容し、その液体燃料を液体燃料電池本体１０の液体燃料導入ポート１０４ａを介して液体燃料電池本体１０の燃料極１０２（図１参照）に供給するものである。第２のタンク３０は、高濃度液体燃料（例えば、濃度９９〜１００％未満のメタノール液）を収容し、これを第１のタンク２０に供給するものである。第１のタンク２０と第２のタンク３０は、導管Ｌ１により連通されている。第２のタンク３０は、第１のタンク２０に対し、交換可能なように、着脱自在に接続されることが好ましい。
【００２３】
第１のタンク２０は、燃料極での電極反応に適した濃度に調整した液体燃料（例えば濃度２Ｍのメタノール水溶液）を収容するものであり、第２のタンク３０から供給される高濃度液体燃料を希釈して濃度調整するために、濃度調整機構を有し得る。図２に示す実施の形態では、この濃度調整機構は、希釈液（例えば、水）を収容する希釈液タンク４０と、流量調整弁Ｖ１０を備え、第１のタンク２０に連通する導管Ｌ１とを備える。第２のタンク３０から間欠的にまたは連続的に供給される高濃度液体燃料を、流量調整弁Ｖの開閉制御により希釈液タンク４０から間欠的または連続的に導入される希釈液により、所定の濃度に調整する。
【００２４】
第１のタンク２０および第２のタンク３０は、耐薬品性（耐食性）を考慮すると、ステンレス（ＳＵＳ３０４、３１６等）、チタン、アルミニウム等の金属、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ等）、硬質塩化ビニル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、メチルペンテン樹脂、ポリウレタンのような熱可塑性樹脂、メラミン樹脂等の熱硬化性樹脂、ブタジエンゴム、スチレンゴム、ブチルゴム、エチレン・プロピレンゴム、天然ゴム、フッ素ゴム（ＦＫＭ、ＦＰＭ等）等のゴム等の耐薬品性（耐食性）に優れた材料で形成することが望ましい。これら材料のなかでも、ステンレス、フッ素樹脂、ブタジエンゴム、スチレンゴム、ブチルゴム、エチレン・プロピレンゴム、天然ゴムが好ましい。
【００２５】
第１のタンク２０には、その収容する濃度調整液体燃料を液体燃料電池本体に移送するための送液機構が設けられている。従来、送液機構は、第１のタンク２０内に設けられた送液チューブと、この送液チューブを介して液体燃料を送給する送液ポンプと、タンク２０の外部に設けられ、送液ポンプに液密シールを介して接続する送液ポンプ駆動機構（ギヤ等）からなるものであった。しかしながら、かかる送液機構では、液密シールを設けることが必要となる上に、液密シールの経時劣化により液体燃料が漏出して、安定な電池出力が得られないことがある。
【００２６】
そこで、本発明では、この送液機構を、液体燃料を前記燃料極側に送液する第１の内部送液機構と、この第１の内部送液機構を駆動するための、第１のタンクの外部に設けられ、かつ前記第１の内部送液機構とは物理的に結合されていない第１の外部駆動機構とを備えるように構成している。
【００２７】
より具体的には、図２に示すように、第１のタンク２０内に設けられ、一端が液体燃料電池本体１０の液体燃料導入ポートに連通するように接続された送液チューブ５１と、同じく第１のタンク２０内に設けられ、回転することにより送液チューブ５１を繰り返し膨張・圧縮してチューブ５１の他端から濃度調整液体燃料を吸引・移送するための送液チューブ駆動部５２と、第１のタンク２０の外部に設けられ、送液チューブ駆動部５２とは非接触状態で駆動部５２を回転駆動させるための回転駆動機構５３とによって構成することが好ましい。回転駆動機構５３による送液チューブ駆動部５２の回転駆動は、当該技術分野でよく知られているマグネットカップリング（例えば、（株）東芝製ラジアル型マグネットカップリングＲシリーズ）を用いて行うことができる。例えば、回転駆動機構５３を回転モータ５３１と、この回転モータ５３１に軸支された回転部材５３２とにより構成する。そして、送液チューブ駆動部５２と回転部材５３２とを互いに磁気カップリングし得る材料で形成する。磁気カップリング性材料としては、Ｆｅ−Ｂ−Ｎｄ系、Ｓｍ−Ｃｏ系、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ系、Ｆｅ−Ｃｏ系、Ｐｔ−Ｆｅ系、フェライト系の各材料を例示することができる。
【００２８】
モータ５３１の駆動により回転駆動された回転部材５３２から非接触状態でその駆動力が送液チューブ駆動部５２に伝達され、送液チューブ駆動部５２が回転駆動され、送液チューブ５１を繰り返し膨張・圧縮し、送液チューブ５１から液体燃料導入ポート１０４ａを介して液体燃料電池本体１０の燃料極側へ濃度調整液体燃料が供給される。
【００２９】
図２に示すように、同様の構成の液体燃料送液機構を第２のタンク３０にも設けることが好ましい。すなわち、第２のタンク３０に設けられた液体燃料送液機構は、第２のタンク３０内に設けられ、一端が導管Ｌ２に連通するように接続された送液チューブ７１（送液チューブ５１に相当）と、同じく第２のタンク３０内に設けられ、回転することにより送液チューブ７１を繰り返し膨張・圧縮してチューブ７１の他端から濃度調整液体燃料を吸引・移送するための送液チューブ駆動部７２（送液チューブ駆動部５２に相当）と、第２のタンク３０の外部に設けられ、送液チューブ駆動部７２とは非接触状態で駆動部７２を回転駆動させるための回転駆動機構７３（回転駆動機構５３に相当）とによって構成されている。回転駆動機構７３は、回転モータ７３１（回転モータ５３１に相当）と、この回転モータ７３１に軸支された回転部材７３２（回転部材５３２に相当）とにより構成される。
【００３０】
また、第１のタンク２０内に設けられた送液チューブ５１には、液体燃料の流れ方向から見て後流端部に、逆止弁ＣＶ１を設けることが好ましい。これら逆止弁ＣＶ１は、液体燃料電池本体における燃料極側での電極反応により発生する二酸化炭素ガスの第１のタンク２０内への逆流を防止するものである。この逆止弁を設けることにより、二酸化炭素ガスが液体燃料タンク側に逆流することによる液体燃料の供給および電池反応に対する妨害を阻止することができ、長時間にわたり安定した電池出力を得ることができる。また、逆止弁ＣＶ１は、濃度調整液体燃料の第１のタンク２０内への逆流をも防止し得るので、これを設けることにより第１のタンク２０において安定した濃度調整を行うことがきるようになる。
【００３１】
同様の逆止弁ＣＶ２を第２のタンク３０内の送液チューブにも設けることが好ましい。逆止弁ＣＶ２は、高濃度液体燃料の第２のタンク３０内への逆流を防止し得るので、これを設けることにより、第１のタンク２０においてより一層安定した濃度調整を行うことがきるようになる。
【００３２】
さらに、第１のタンク２０には、内部の液体燃料を攪拌してメタノール濃度を均一にするための攪拌機構を設けることが好ましい。この攪拌機構は、図２に示すように、第１のタンク２０内に設けられた磁気攪拌羽根６１と、これを第１のタンク２０の外部から非接触状態で回転駆動させるための回転駆動機構６２を備える。回転駆動機構６２は、回転モータ６２１とこの回転モータ６１に軸支された磁気回転部６２２とを備える。回転モータ６２１の駆動により回転された磁気回転部６２２は、磁気的にカップリングされた磁気攪拌羽根６１を回転させ、第１のタンク２０内の液体燃料を攪拌させる。
【００３３】
なお、第１のタンク２０および第２の第２のタンク３０内に設けられる送液機構部材は、耐食性コーティングが施されていることが好ましい。かかる耐食性コーティングは、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ポリエチレン（ＰＥ）等の有機高分子材料やＡｌおよびＡｌ合金等の金属材料で形成することができる。
【００３４】
操作に際し、まず、回転モータ７３１を駆動させることにより、第２のタンク３０内の駆動部７２が非接触で駆動される。この駆動により、第２のタンク３０内に設けられた送液チューブ７１は膨張・圧縮を繰り返し、第２のタンク３０内に収容されている高濃度液体燃料（例えば、濃度９９〜１００％未満のメタノール液）が、第１のタンク２０へ供給される。第１のタンク２０では、回転モータ６２１を駆動させて攪拌羽根６１を回転させる。この状態で希釈液タンク４０から所定量の希釈液（水）を第１のタンク２０内に導入する。第１のタンク２０内の液体燃料は、攪拌羽根６１により均一な濃度とされる。同時に、回転モータ５３１を駆動させることにより、第１のタンク２０内の駆動部５２が非接触で駆動される。この駆動により、第１のタンク２０内に設けられた送液チューブ５１は膨張・圧縮を繰り返し、第１のタンク３０内に収容されている濃度調整液体燃料（例えば、濃度６％のメタノール水溶液）が、液体燃料電池本体１０の燃料極側へ供給される。これとともに、図示しないブロワにより空気等の酸化剤ガスを液体燃料電池本体１０の酸化剤ガス導入ポート１０５ａから液体燃料電池本体１０の酸化剤極側に供給する。こうして、それぞれの電極において、上に説明したような電極反応が生起し、かかる反応が起こる過程で取り出される電子が外部回路を流れることで発電が起こり、外部負荷を駆動することができる。
【００３５】
なお、第１のタンク２０および第２のタンク３０における送液機構は、例えば特開２００１−９３５５１号公報に開示されているような毛管力によるものでもよい。
【００３６】
なお、小型の液体燃料電池デバイスを想定した場合、第１のタンク２０の容積は、１８ｍＬ〜４８ｍＬであり、第２のタンクの容積は９ｍＬ〜２７ｍＬであり得る。
【００３７】
以上説明した図２に示す液体燃料電池デバイスの駆動手順を説明する。まず、弁Ｖ１０を開き、希釈液タンク４０から希釈液（水）を第１のタンク２０に送る。ついで、回転駆動機構７３を駆動させ、第２のタンク３０内の高濃度メタノールを第１のタンク２０へ送る。しかる後、回転駆動機構６２の駆動により第１のタンク２０内の磁気攪拌羽根６１を駆動させ、第１のタンク２０内の溶液を攪拌する。ついで、回転駆動機構５３の駆動により、第１のタンク２０内の濃度調整メタノール液を供給管１０４ａを介して電池本体１０に送る。こうして、図２に示す液体燃料電池デバイスの初期駆動が行われる。その後、希釈液タンク４０からの第１のタンク２０への希釈液の供給と第２のタンク３０から第１のタンクへの高濃度メタノール液の供給を連続的または間欠的に行うとともに、第１のタンク２０内の溶液を適宜攪拌しながら、電池本体による発電を行う。図２に示す液体燃料電池デバイスの駆動を停止し、長期保管するためには、順次、回転駆動機構５３をオフにして第１のタンク２０から電池本体１０への濃度調整メタノール液の送液を停止し、回転駆動機構７３をオフにして第２のタンク３０から第１のタンク２０への高濃度メタノールの送液を停止し、回転駆動機構６２をオフにして第１のタンク２０内の攪拌を停止し、弁Ｖ１０を閉じて手希釈液タンク４０から第１のタンク２０への希釈液の送液を停止する。
【００３８】
次に、図３を参照して本発明の第２の実施の形態に係る液体燃料電池デバイスを説明する。図３において、図２と同様の要素には同様の符号を付して、その説明は省略する。図３に示す液体燃料電池デバイスは、第１のタンク２０内へ導入する希釈液の供給機構が図２に示す液体燃料電池デバイスと異なる。図３に示す液体燃料電池デバイスは、希釈液（水）として、図２に示す液体燃料電池デバイスにおけるように別途設けられた希釈液タンク４０に収容された希釈液（水）を初期駆動時のみ使用し、初期駆動後は、液体燃料電池本体１０の酸化剤極側での電極反応により生成した水を利用するものである。すなわち、酸化剤極における電極反応で生成した液体反応生成物（水）を排出するための排出ポート１０４ａには、排出された水を第１のタンク２０内に導く導管Ｌ１０が接続されている。導管Ｌ１０には、気液分離膜８０１を備えた気液分離装置８０が介挿されている。この気液分離装置８０は、過剰の酸化剤ガスとともに排出される水を気液分離膜８０１により分離し、その分離した水を導管Ｌ１０を通して第１のタンク２０内に供給するものである。気液分離膜８０１により分離された酸化剤ガスは、排出導管Ｌ１１から系外に排出される。また、導管Ｌ１１には、これを通って第１のタンク２０内に導入される水の量を調整するための流量調整弁Ｖ２０が設けられている。
【００３９】
次に、図３に示す液体燃料電池デバイスの駆動手順を説明する。まず、図２に示す液体燃料電池デバイスの場合と同様に、弁Ｖ１０を開き、希釈液タンク４０から希釈液（水）を第１のタンク２０に送る。ついで、回転駆動機構７３を駆動させ、第２のタンク３０内の高濃度メタノールを第１のタンク２０へ送る。しかる後、回転駆動機構６２の駆動により第１のタンク２０内の磁気攪拌羽根６１を駆動させ、第１のタンク２０内の溶液を攪拌する。ついで、回転駆動機構５３の駆動により、第１のタンク２０内の濃度調整メタノール液を供給管１０４ａを介して電池本体１０に送る。こうして、図３に示す液体燃料電池デバイスの駆動が行われる。次に、電池本体１０の駆動により発生した水は、気液分離装置８０を介してラインＬ１０を介して弁Ｖ２０の開放により第１のタンク２０内に送られる。その後は、弁Ｖ１０を閉じて希釈液タンク４０からの水の導入を停止し、第１のタンク２０への水の供給はラインＬ１０を介する、電池本体で発生する水により行う。こうして連続駆動が行える。
【００４０】
以上説明したように、本発明に係る液体燃料電池デバイスは、高濃度液体燃料を収容する第２のタンクから、濃度調整液体燃料を収容する第１のタンクへと高濃度液体燃料を供給し、これを第１のタンク内で希釈して使用することから、濃度調整液体燃料を収容するタンク（第１のタンク）だけを有する液体燃料電池デバイスに比べて、可使寿命化飛躍的に向上する。すなわち、濃度調整液体燃料を収容する第１のタンクだけを有する場合、その液体燃料電池デバイスの可使寿命は、第１のタンクに収容される濃度調整液体燃料の体積によって決定されるのに対し、高濃度液体燃料を収容する第２のタンクをさらに有する場合には、第２のタンクに収容された高濃度液体燃料の体積に、高濃度液体燃料の希釈倍率を乗じた体積に対応する可使寿命を享受することができるのである。従って、本発明に係る液体燃料電池デバイスは小型化しても従来とは比較とならないような長時間の連続発電が可能となる。また、第２のタンク内の高濃度液体燃料を使いきっても、その第２のタンクを新たな第２のタンクと交換すれば、さらに発電が可能となるので、さらに長期間の発電が可能となる。また、第１のタンク内の送液機構は、これと物理的に結合されていない外部駆動機構により駆動されるので、液シールを設けることなく液体燃料の漏洩を防止することができる。
【００４１】
【実施例】
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明は、それら実施例により限定されるものではない。
【００４２】
実施例１
図２に示した構成を有する小型液体燃料電池を、以下に示す要領で作製した。まず、通常の液相法により、カーボン粉末にＰｔ−Ｒｕ系触媒を担持させた。このＰｔ−Ｒｕ系触媒を担持したカーボン粉末をアルゴン−水素気流中で焼成して触媒を安定化させた。次に、得られた触媒粉末に樹脂バインダーの有機溶媒溶液を添加し、得られたペーストをカーボンクロス上に塗布し、乾燥させて触媒層を形成し、燃料極を作製した。他方、通常の液相法により、カーボン粉末にＰｔ系触媒を担持させ、上と同様に焼成した。得られた触媒粉末に樹脂バインダーの有機溶媒溶液を添加し、得られたペーストをカーボンペーパーに塗布し、乾燥させて触媒層を形成し、酸化剤極を作製した。
【００４３】
以上のようにして作製した燃料極と酸化剤極をそれぞれ５０ｍｍ×５０ｍｍ角の片に切断し、それらの間に膜厚２００μｍの電解質膜（パーフルオロスルホン酸膜）を介挿した。この積層体を、１３５℃で１５分間、１００ｋｇ／ｃｍ^２の圧力下で一体化して膜−電極接合体（ＭＥＡ）を得た。このＭＥＡに燃料極側および酸化剤極側にそれぞれセパレータを設けて、図１に示す構造の液体燃料電池本体１０を作製した。
【００４４】
この液体燃料電池本体の液体燃料導入ポート１０４ａに第１のタンク２０を接続し、この第１のタンク２０に第２のタンク３０を接続した。第１のタンク２０および第２のタンク３０は、それぞれ、逆止弁（ＣＶ１、ＣＶ２）を接続した送液チューブ（５１、７１）と、送液チューブ駆動部（５２、７２）、および駆動機構（５３、７３）を備えるものであり、第１のタンク３０には攪拌羽根６１とその駆動機構６２を設けた。他方、酸化剤導入ポート１０５ａには、酸化剤である空気の送風ポンプを接続した。こうして、図２に示す構造の小型液体燃料電池デバイスを作製した。
【００４５】
この小型液体燃料電池デバイスを以下のように運転した。
【００４６】
まず、第１の液体燃料タンク２０内のメタノール濃度が２Ｍになるように第２のタンク３０から濃度９９％のメタノール液と水タンク４０から水を第１の液体燃料タンク２０に供給した。このように濃度調整されたメタノール水溶液を電池本体の燃料極側に２ｍＬ／分の流量で供給した。次に、酸化剤ガス側に設けた送風ポンプにより酸化剤ガスである空気を１００ｍＬ／分の流量で供給した。なお、第２のタンクからのメタノール液の供給は、第２のタンク内のメタノール水溶液の濃度調整を図るため、連続的ばかりでなく、間欠的にも行った。
【００４７】
次に、この小型液体燃料電池デバイスに電子負荷装置を接続し、発電温度６０℃で０〜２００ｍＡ／ｃｍ^２の範囲での発電特性を確認した。結果を図４に示す。
【００４８】
図４に示すように、この液体燃料電池デバイスは電流密度約２００ｍＡ／ｃｍ^２まで負荷を取ることが可能であり、最高出力は４０ｍｗ／ｃｍ^２を示した。また、図４には示していないが、この液体燃料電池デバイスは、およそ１０時間経過した後も安定した電圧を維持しており、小型液体燃料電池デバイスとして信頼性の高いものであることが確認できた。なお、この燃料電池デバイスでは、その動作中、液体燃料の漏洩は観察されなかった。
【００４９】
実施例２
逆止弁ＣＶ１およびＣＶ２を用いなかった以外は、実施例１と同様にして液体燃料電池デバイスを作製した。この液体燃料電池デバイスについて、実施例１と同様の方法で出力を取り出した際の出力変化を測定した。その結果を図４に併記する。実施例１と比較して高電流側で出力特性カーブに若干の変動が確認されたが、本実施例の液体燃料電池デバイスも良好な発電特性を示すことがわかった。なお、上記変動は発電時に燃料極側に生じた二酸化炭素ガスが液体燃料タンクに逆流することにより液体燃料供給が妨げられたことにより生じたと考えられる。なお、この燃料電池デバイスでは、その動作中、液体燃料の漏洩は観察されなかった。
【００５０】
実施例３
実施例１と同様に液体燃料電池デバイスを作製した。この液体燃料電池デバイスにおいて、第１のタンクの容積は、１９０ｍＬであり、第２のタンクの容積は、９５ｍＬであった。この液体燃料電池デバイスを約１５０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度で実施例１と同様に駆動させたところ、図５に示すように、ほぼ１００時間までの時間にわたって約４０ｍＷ／ｃｍ^２の出力を安定に得た。なお、この燃料電池デバイスでは、その動作中、液体燃料の漏洩は観察されなかった。
【００５１】
比較例１
第２のタンクを用いないで、実施例３と同様の操作を行ったところ、図５に併記するように、ほぼ６時間後には出力が低下した。
【００５２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、小型化しても比較的長時間の連続発電が可能であり、液シールを設けることなく液体燃料の漏洩を防止し得る液体燃料電池デバイスが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態係わる液体燃料電池デバイスの構成を概略的に示す図。
【図２】本発明の種々の態様において使用され得る液体燃料電池本体の基本的構造を示す概略断面図。
【図３】本発明の他の実施の形態に係わる液体燃料電池デバイスの構成を概略的に示す図。
【図４】実施例１および２で作製した液体燃料電池デバイスの発電特性をそれぞれ示すグラフ。
【図５】実施例３および比較例１で作製した液体燃料電池デバイスの可使寿命を示すグラフ。
【符号の説明】
１０…燃料電池本体
１０１…電解質層
１０２…燃料極
１０２ａ…導電性支持体
１０２ｂ…触媒層
１０３…酸化剤極
１０３ａ…導電性支持体
１０３ｂ…触媒層
１０４，１０５…セパレータ
１０４ａ…液体燃料の導入ポート
１０４ｂ…液体燃料の反応生成物の排出ポート
１０５ａ…酸化剤ガスの導入ポート
１０５ｂ…酸化剤ガスの反応生成物の排出ポート
２０…第１のタンク（濃度調整液体燃料タンク）
３０…第２のタンク（高濃度液体燃料タンク）
４０…希釈液タンク
５１，７１…送液チューブ
５２，７２…送液チューブ駆動部
５３，７３…回転駆動機構
ＣＶ１，ＣＶ２…逆止弁
Ｌ１０…酸化剤極における電極反応で生成した液体反応生成物（水）を第１のタンク内に導く導管
８０…気液分離装置
８０１…気液分離膜

Claims

燃料極、この燃料極に対向して配置された酸化剤極、および前記燃料極と酸化剤極により挟持された電解質層を備える液体燃料電池本体と、前記燃料極に液体燃料を供給する液体燃料供給システムを具備し、該液体燃料供給システムは、濃度が調整された液体燃料を収容しこれを前記燃料極側に供給する第１のタンクと、高濃度液体燃料を収容しこれを前記第１のタンクに供給する第２のタンクを備え、前記第１のタンクに、液体燃料を前記燃料極側に送液する第１の内部送液機構が設けられ、前記第１の内部送液機構は、前記第１のタンクの外部に設けられ、かつ前記第１の内部送液機構とは物理的に結合されていない第１の外部駆動機構により駆動されることを特徴とする液体燃料電池デバイス。
前記第１の内部送液機構は、第１の送液チューブと、この第１の送液チューブを膨張／圧縮させることにより液体燃料を送液する第１のチューブ駆動手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の液体燃料電池デバイス。
前記第１の内部送液機構と前記第１の外部駆動機構は、磁気カップリングされることを特徴とする請求項１または２に記載の液体燃料電池デバイス。
前記第２のタンクに、液体燃料を前記第１のタンクに送液する第２の内部送液機構が設けられ、前記第２の内部送液機構は、前記第２のタンクの外部に設けられ、かつ前記第２の内部送液機構とは物理的に結合されていない第１の外部駆動機構により駆動されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の液体燃料電池デバイス。
前記第２の内部送液機構は、第２の送液チューブと、この第２の送液チューブを膨張／圧縮させることにより液体燃料を送液する第２のチューブ駆動手段を含むことを特徴とする請求項４に記載の液体燃料電池デバイス。
前記第２の内部送液機構と前記第２の外部駆動機構は、磁気カップリングされることを特徴とする請求項４または５に記載の液体燃料電池デバイス。